I recettori di membrana e la trasduzione del segnale

• I recettori di membrana recepiscono segnali fisici o chimici provenienti dall’esterno della cellula

°fotoni / vibrazioni (recepiti dalle rodopsine nella visione e dalle stereocilia/fasci diactina, nell’udito)

° piccole molecole di provenienza esogena (es. recettori del gusto/olfatto),

° messaggeri intercellulari (ormoni � primi messaggeri.) che legano a siti di legame suldominio extracellulare di appositi recettori.

• Esempi di messaggeri intercellulari sono ormoni di tre tipi:

a) steroidi, derivati dal colesterolo – lipofili, possono attraversare la membrana

b) piccole molecole organiche, spesso derivate da aminoacidi, quali l’acetilcolina,il glutammato, l’acido γ-aminobutirico, adrenalina, dopamina, istamina e opiati

c) peptidici come il glucagone e l’insulina.

• I rispettivi recettori trasducono il segnale esterno a segnali chimici intracellulari (secondi

messaggeri) che innescano cascate enzimatiche, amplificando il segnale.

• Il circuito molecolare coinvolto nella trasduzione comprende recettori, canali, enzimi eproteine regolatrici che agiscono in maniera altamente integrata. Il segnale, per essereutile deve essere transiente, la sua terminazione è inclusa nel circuito.

TRASDUZIONE: Informazione ���� modificazioni chimiche

Classi di recettori

• Chemiorecettori percepiscono la presenza di nutrienti o tossine ed agiscono sulbatterici circuito molecolare che controlla i movimenti flagellari

• Recettori della luce processano i segnali visivi a nella retina

• Recettori dell’udito : processano i segnali uditivi nelle cellule ciliatevibrazioni dell’aria � oscillazioni timpano � oscillazioni del fluido nell’orecchio

interno � oscillazioni di stereocilia sulle cellule ciliate � polarizzazione /

depolarizzazione delle cellule.

• Recettori a 7 eliche ricevono e trasmettono segnali chimici portati da ormoni (primitransmembrana messaggeri). La loro azione è mediata da Proteine G ancorate sul

lato interno della membrana, che vanno ad attivare ciclasi o lipasi

• Recettori a singolo i primi messaggeri che legano al domino extracellulare di questisegmento recettori attivano un dominio intracellulare con attività di tirosina

chinasi (fosforilano residui di Tyr) oppure di guanilato ciclasi.

• Recettori nucleari legano steroidi e regolano l’espressione genica

•••• Canali ionici (lez. precedente)

• Recettori di adesione interagiscono con la matrice extracellulare – integrazione dell’attivitàcellulare nei tessuti

Recettori di membrana e primi messaggeri

primi e secondi messaggeri

Segnali chimici intercellulari - ormoni: messaggeri chimici che coordinano l’attivitàmetabolica nelle cellule in organismi pluricellulari, sintetizzati da tessuti specializzati(ghiandole) e secreti direttamente nel sangue. Agiscono come primi messaggeri

extracellulari, e permettono alle cellule di comunicare fra di loro. Alterano l'attività dellecellule bersaglio in maniera specifica e transiente .

Segnali chimici intracellulari - il segnale portato dai primi messaggeri extracellulari ètrasdotto mediante la formazione di secondi (2i) messaggeri intracellulari quali peresempio il 3',5'-AMP ciclico (cAMP), il diacilglicerolo (DAG), l’inositolo trifosfato e gliioni di calcio

inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3)(derivato dal fosfatidilinositolo bifosfato)cAMP, cGMP

(derivati da ATP, GTP)

Ca++ (ione calcio)

diacilglicerolo (Dag) (derivato dal fosfatidilinositolo bifosfato)

caratteristiche generali della trasduzione del segnale

AFFINITÀ / SELETTIVITÀ (KD 10-9 – 10-11 M)

COOPERATIVITÀ (basta una lievevariazione in [ormone] )

AMPLIFICAZIONE (cascate enzimatiche)

INTEGRAZIONE (effetti reciproci / opposti)omeostasi del sistema

DESENSIBILIZZAZIONE (segnali transienti)rimozione 1°/ 2°messagerodesensibilizzazione recettoredefosforilazione bersaglio

�

�

�

PKAiPKAa

GDP

Recettori a 7 eliche transmembrana associati a proteine G (GPCR)

• La CASCATA DEL cAMP è innescata da vari ormoni, quali la calcitonina, l’adrenalina, il glucagone, e la vasopressina

C CH2 NH2 CH3

OH

H

HO

HO+

ADRENALINA (EPINEFRINA) (deriva da Tyr)

GTP ααααsGTP ααααsββββ

ACRββββ

γγγγ

Rαααα2

GTPααααiααααs

ααααiGDP

RKγγγγ

ββββi

γγγγ

ββββi

ααααs

C

N

Versantecitosolico

Versante extracellulare

recettore

ATP

cAMP

+GDPGTP

GTPH2O

Pi

GDPααααs GTP

• Il cAMP è formato dall’ATP (5'-ATP) tramite una reazione di ciclizzazione con perdita di PPi.

Questa reazione è catalizzata dalla adenilato ciclasi, una proteina integrale di membrana condominio catalitico intracellulare. La reazione sarebbe energicamente non favorevole ma èaccompagnata dall’idrolisi del pirofosfato.

Il cAMP è un messaggero chimico transiente. Il suo livello intracellulare è regolato anche dallasua rimozione da parte di una fosfodieasterasi specifica che idrolizza il legame fosfodiestereciclico a livello dell’OH sul carbonio 3’, producendo 5'- AMP

ATP cAMP AMP

PPi 2Pi

pirofosfatasi

adenilatociclasi

cAMPfosfodiesterasi

(+1.6 kcal mol-1)

(-8/-12 kcal mol-1)

(-8/-12 kcal mol-1

)

cascata del cAMP

O

OH OH

N

N

N

NH2

CH2PO

O

O-

O

O-

O

PP

O

O-

OO- PPi

O

OH

CH2

OPO

O-

O

N

N

N

NH2

Citosol

Extracellulare

Ca++

ββββ

R

GDP

ααααs

cascata del fosfoinositolo

• Ormoni come la vasopressina stimolano un’altra cascata di trasduzione del segnale, sempremediata da proteine G stimolatorie. In questo caso la subunità Gα-GTP attiva una fosfolipasi C

associata al lato interno della membrana

γγγγ ααααsGTP

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

PLCββββGTP

GTP

fosfatidilinositolo- 4,5-bifosfato (PIP2)

OHOH

OH

P

P

1

2 3

4

5

O

O O-

P

OHOH

OH

P

1

2 3

4

5

P

P

l'inositolo-1,4,5-trifosfato (IP3)

Ca++

Ca++

ER

PLC

Ser/Thr

Ser-PThr-P

PKC

Cascata del fosfoinositolo – attivazione della PKC

• La proteina chinasi C (PKC) è un esempio di chinasi inibita da pseudosubstrato (come laPKA). Il legame di due domini al diacilglicerolo (DAG) libera il sito attivo.

• L’attività di PKC dipende anche da ioni di Ca++, che aiutano a localizzare PKC sullamembrana. Questo fornisce una forma d’integrazione per l’azione dei due messaggeri

• DAG e IP3 sono molecole transienti perché rapidamente metabolizzate. DAG è anche ilprecursore di ormoni eicosanoidi ( prostaglandine )

• Il calcio può formare legami multipli con atomi di ossigeno in alcuni residuiamminoacidici (es. Asp, Asn, Glu, Gln). Questo induce notevoli alterazioniconformazionali nelle proteine alle quali si lega.

• L'effetto del calcio negli eucarioti è anche mediato dalla CALMODULINA, che è ingrado di legare 4Ca2+, e ne funge da sensore. È attivata da [Ca2+] > 500 nM.

• E’ composta da due domini che legano il calcio, che per la loro forma simile admano che punta un dito, sono noti come “EF hand”

Il ruolo del calcio come secondo messaggero

La calmodulina - una proteina regolatrice attivata dal calcio

Ca2+ proteina

bersaglio

• La calmodulina è composta da due domini che legano il calcio. In sua presenzasono connessi da una lunga α-elica che si comporta come un cavo flessibile.

• Riconosce e lega specifiche sequenze ad α-elica anfipatica nelle proteinebersaglio, abbracciandole in modo che i domini globulari ai terminali si incontrano

I recettori di membrana a singola elica TM - le tirosina chinasi (RPTK)

TyrATP

Tyr-PADP

classe I classe II classe III

TyrATP

Tyr-PADP

TyrATP

Tyr-PADP

RPTK fosforilano Tyr in sequenze specifiche delle proteine bersaglio. Fra queste ci sono altre tirosinachinasi (ancorate alla membrana), e anche la fosfolipasi Cγ associata alla di membrana (diversa dallafosfolipasi Cβ attivata da proteine G). RTK possono quindi attivare la cascata IP3. A loro volta sono regolateda fosforilazione su Ser/Thr da parte della PKC e PK cAMP dipendenti (circuito Proteine G)

Nel recettore monomerico, i segmenti che connettono il dominio catalitico a quello TM, e isegmenti C-terminali bloccano parzialmente il sito di legame per ATP, ed il dominio cataliticoesiste nelle forme attiva ed inattiva ad equilibrio. La dimerizzazione e l’autofosforilazioneaprono il sito di legame e rendono l’enzima completamente attivo.

segmenti C-terminali forme attiva ed inattiva

segmenti

di

congiun_

zione

Meccanismo d’attivazione delle tirosina chinasi (RPTK)